一种板翅式换热器的制作方法

本申请涉及制冷与低温技术领域、空气液化分离领域、天然气液化领域、气体低温液化领域中应用的换热器。

背景技术：

板翅式换热器在制冷与低温技术领域、空气液化分离领域、天然气液化领域、气体低温液化领域中有广泛应用，在上述各领域中广泛采用深冷多元混合工质节流制冷系统，并采用板翅式换热器作为关键的回热换热器，通过将循环工质高、低压布置于间隔的不同通道内，以逆流方式实现高、低压间的回热换热，进而将系统的室温部分与低温部分有效地连接在一起，可使系统实现大温跨下的制冷效果。

由于非共沸多元混合制冷剂的采用，使得深冷多元混合工质节流制冷系统与采用单相气体循环工质的常规低温制冷系统对回热换热器具有明显不同的要求。首先，深冷多元混合工质在回热换热器内参与换热的流体(包括高压和低压)存在剧烈相变，其体积流量在进、出口存在显著差异，而常规的低温气体制冷系统，进、出口体积流量差异相对较小。其二，深冷多元混合工质在回热换热器内参与换热的流体(包括高压和低压)进、出口干度(含气率)变化较大，而常规低温气体制冷系统中回热换热器内通常为单相流动。其三，常规的低温气体制冷系统，可通过增加换热面积来提高换热效率和热力学效率，而对于深冷多元混合工质节流制冷系统，其换热效率与两相流动状态和流体流速密切相关，简单的增加换热面积往往不能取得预期效果并可能由于流速过低产生偏流而带来负面影响。

研究表明：对于深冷多元混合工质节流制冷系统用的板翅式回热换热器，除仔细考虑换热器通道间的两相流动均匀性外，最为重要的是换热流体在换热器通道内沿程流速的设计，尤其是有明显爬升的流道。在上升通道内，当流速小于某值时，两相流动就会发生气、液相分离，这会使得液相在部分子通道内累积，形成液体拥塞而使其失效，这不但影响回热换热器的传热效率，而且会改变循环工质组份浓度，甚至使整个深冷多元混合工质节流制冷系统失效；而当流速过大时，流体流经换热器会产生较大的压降，这会造成热力学效率降低，浪费能量。

板翅式换热器是深冷多元混合工质节流制冷系统领域中应用最广泛的换热器种类之一，板翅式换热器通常由换热芯体、封头及进出口管组成，换热芯体包括隔板、传热翅片、导流翅片、封条，在相邻两隔板与封条内放置传热翅片、导流翅片组成夹层，称为通道，多个通道分层叠置起来钎焊成一整体换热芯体，其具有传热效率高、紧凑、轻巧(多为铝合金制造)、适应性强的优点，可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。目前，实际使用的板翅式换热器，流体通道全程流通截面积维持不变，即流体流经通道过程中，其在低温口端和高温口端的流道截面积完全相等，为了避免气液相分离产生液相积聚的问题，通常以上升通道内的流体最小流速大于两相流动气、液相发生分离的临界流速为具体结构尺寸的设计依据，这样虽然保证了制冷系统的正常工作，但会在高、低压均引入更大的压力损失为代价，使制冷系统效率无法进一步提高。

此外，在深冷多元混合工质节流制冷系统，往往在其循环流程中需加入气液相分离器，使混合制冷剂气液相分离，实现混合制冷剂的分温区冷量供应，以获取更高的热力学效率。新增加气液相分离器设备，使深冷多元混合工质节流制冷系统更加复杂，体积更庞大，且增加设备成本。

技术实现要素：

鉴于此，有必要提供一种流道宽度持续变化的板翅式换热器，以兼顾换热器内的相变传热、两相流动、流动压降及其与系统的热力耦合的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种板翅式换热器，包括换热芯体、分别位于所述换热芯体两端的封头及分别连接于所述封头上的流体出入口，所述换热芯体包括若干个分层叠置于一体的通道，每个通道包括隔板、传热翅片、导流翅片、封条，所述传热翅片与所述导流翅片内置于所述隔板与封条之间构成所述通道，所述通道的宽度是连续变化的。

优选地，所述流体出入口包括高温口与低温口，所述高温口包括热流体入口与冷流体出口，所述低温口包括热流体出口与冷流体入口，所述通道的宽度在高温口的一端大于低温口的一端，所述通道宽度是沿换热流体流动方向连续变化的。

优选地，所述通道呈梯形布置。

优选地，所述通道在低温口端的最小宽度为100mm；所述通道在高温口端的最大宽度为1500mm。

优选地，所述传热翅片为平直形翅片、锯齿形翅片、波纹形翅片、多孔形翅片、百叶窗形翅片中的一种或多种组合，所述传热翅片切割成与通道相匹配的梯形，放置于通道内钎焊成一体。

优选地，所述传热翅片的翅距沿换热流体流动方向连续变化，所述换热芯体的低温口端的翅距小于所述高温口端的翅距，所述翅距的变化率与通道宽度的变化率相同或接近。

优选地，所述翅距在所述通道的低温口端小至1mm，在所述通道的高温口端大至10mm

优选地，所述流体出入口包括连接于下部封头上的流体入口与流体液相出口、及连接于所述上部封头上的流体气相出口，热流体从流体入口进入，经过所述封头后进入换热芯体向上爬升，在与冷流体换热过程中持续冷却产生冷凝液，在所述通道内气液相分离，气相流体继续上升从低温口端的流体气相出口流出，液相流体在重力作用下往下流动并在高温口端的流体液相出口流出。

优选地，设所述通道内换热流体体积流量为Q，流体平均流速为V，通道宽度为L，通道内翅片高度为H，则满足如下公式：

V＝Q/(H×L–S_截)≤V_分

其中S_截是通道内翅片本身的截面积，V_分是流体气液相分离速度，V_分依据相关设计文献获取。

本申请板翅式换热器，通过将所述通道宽度设计成可连续变化的结构，可使所述流道宽度从低温口端至高温口端实现数倍甚至数十倍的连续变化，可更好满足深冷多元混合工质节流制冷系统高效运行，且易制造、成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请板翅式换热器实施例一的流道界面示意图；

图2为本申请板翅式换热器实施例二的流道界面示意图；

图3为本申请板翅式换热器实施例三的流道界面示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例一

请参阅图1所示，本申请实施例一的板翅式换热器用于天然气液化的深冷多元混合工质节流制冷系统，以实现110K温度天然气液化。

本发明的板翅式换热器包括换热芯体、分别位于所述换热芯体两端的封头2、分别连接于所述封头2上的流体出入口1。所述换热芯体包括若干个分层叠置并钎焊成一体的通道，每个通道包括隔板(图未示)、传热翅片3、导流翅片5、封条4。所述隔板与封条4将所述传热翅片3与导流翅片5包覆于内构成所述通道。所述流体出入口1包括高温口与低温口，所述高温口包括热流体入口与冷流体出口，所述低温口包括热流体出口与冷流体入口。

本申请板翅式换热器使用的热流体为高压混合工质，流体入口处为常温，含气率为1，流体出口处温度为110K，含气率为0.1。流体出口处的体积流量不到流体入口处体积流量的1/10；本申请板翅式换热器使用的冷流体为低压的混合工质，流体入口处温度为105K，含气率为0.1，流体出口处为常温，含气率为1，冷流体在流体出口处的体积流量是在流体入口处体积流量的10倍；

本申请板翅式换热器的所述通道设置为梯形结构，当然，在具体实施中，不限于梯形结构，主要是指所述通道的宽度是连续变化的，所述通道在低温口端的最小宽度为100mm；所述通道在高温口端的最大宽度为1500mm。为匹配上述结构，所述通道内的传热翅片3为切割成梯形的锯齿形结构。对流经通道的换热流体来说，其在高温口端的流通截面积是低温口端流通截面积的8倍。通过所述通道宽度的连续变化设计，流体在高温口端的流速接近于低温口端流速，相对均匀的流速可更好满足深冷多元混合工质节流制冷系统高效运行的要求。

实施例二

请参阅图2所示，实施例二的板翅式换热器仍然用于天然气液化的深冷多元混合工质节流制冷系统，实现110K温度天然气液化。

相较于实施例一，本实施例二的区别在于：所述通道内的传热翅片3为多孔型传热翅片，且所述传热翅片3的翅距沿换热流体主流方向连续变化，翅距在所述通道的低温口端小至1mm，在所述通道的高温口端大至10mm。

实施例三

请参阅图3所示，本申请实施例三的板翅式换热器用于微型深冷多元混合工质节流制冷系统，实现120K温区制冷，且带分凝分离功能。

相较于实施例一，实施例三的板翅式换热器的流体出入口1包括连接于下部封头2上的流体入口7与流体液相出口6、及连接于所述上部封头2上的流体气相出口8。

本申请实施例三板翅式换热器需要进行分凝分离。采用高压的混合工质作为热流体：在流体入口7处的温度为260K，含气率为0.85，流体气相出口8在所述板翅式换热器的顶部，温度为250K，所述热流体液相出口6在所述板翅式换热器的底部，温度为260K。采用低压的混合工质作为冷流体：在流体入口7处温度为240K，含气率为0.95，在流体出口处的温度为255K，含气率为1。对流经所述通道的换热流体来说，通过计算，所述通道内气液分离的分离速度V_分为0.2m/s。在翅高H＝6.310mm、V≤V_分的情况下，计算出所述板翅式换热器的通道宽度需大于600mm。据此，所述换热器下部为高温口端，最大的通道宽度在高温口端，为1500mm；所述换热器上部为低温口端，最小的通道宽度在低温口端，为600mm。热流体在通道内实现分凝分离功能，冷凝的液相流体积聚于所述封头2内，并从流体液相出口6流出所述换热器，而气相流体爬升从所述换热器顶部的流体气相出口8流出。

设所述通道内换热流体体积流量为Q，流体平均流速为V，通道宽度为L，通道内翅片高度为H，则满足如下公式：

V＝Q/(H×L–S_截)≤V_分

其中S_截是通道内翅片本身的截面积，V_分是流体气液相分离速度，V_分依据相关设计文献获取

本申请板翅式换热器，通过将所述通道宽度设计成可连续变化的结构，可使所述流道宽度从低温口端至高温口端实现数倍甚至数十倍的连续变化，可更好满足深冷多元混合工质节流制冷系统高效运行，且易制造、成本低。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。